近日，我校物理与材料学院太赫兹物理与器件实验室在读博士研究生李会昌，以题为《Topological Refraction in Kagome Split-Ring Photonic Insulators》的论文在《Nanomaterials》上发表。论文第一单位为南昌大学，通讯作者为南昌大学沈云副教授和杰青、长江学者、南昌大学空间科学与技术学院邓晓华教授，该研究成果得到了太赫兹课题组成员多项国家自然科学基金项目的支持。

光子拓扑绝缘体支持信号鲁棒性传输，在现代光学器件中显示出良好的潜在应用，如无反射波导、拓扑量子接口、分路器、强健延迟线等。到目前为止，大多数研究都集中于沿着拓扑界面的稳健波传播。需要考虑进一步探索适用的拓扑设备，包括外耦合效应或波操纵。最近，谷晶、Weyl和QSHE激发系统中报道了拓扑正/负折射、近零折射和波分裂，这些系统可能在定向准直、光束分裂等方面有潜在应用。

基于此，研究人员基于Kagome分布开口环模型的C3v对称性破缺概念，提出了一种谷霍尔类似太赫兹波段光子拓扑绝缘体。理论分析和数值计算表明，开口环的整体旋转α和单个旋转θ都可以破坏C3v对称性，从而提供拓扑相变；此外，还研究了谷霍尔类似边缘态在Zigzag型界面的终止处从界面折射到背景空间时的正\负折射效应，结果表明，出射光束的正\负折射取决于边缘状态投影的谷类型（K或K'）。该工作为控制太赫兹波传播提供了一种新的方法，并有助于在定向准直、光束分裂和负折射成像方面的潜在应用。

如图1中的仿真结果显示，α从0°变化到30°后，C3v对称性被破缺，从而导致原有的二阶简并点被打开，带隙出现，并直接导致拓扑相变。

图1. （a）谷霍尔光子拓扑绝缘体的原胞和第一布里渊区示意图；（b）两种旋转示意图；（c）无旋转和整体旋转30°的能带图。

此外，研究人员使用两个谷陈数不一样的模型构造Zigzag界面，如图2，在波导界面对信号的传输中，太赫兹信号沿着两个具有不同谷陈数的模型构成的Zigzag界面向右传输，在该界面和背景材料之间的分界面处会出现正负折射现象。此外，通过分界面的相位匹配条件所计算得到的理论折射角θrK=15.78◦ θrK'=−75.78°，与图2中的波导传输结果相吻合。

图2. （a）正折射类型和（b）负折射类型的Zigzag型界面的k空间分析示意图。

论文链接：https://www.mdpi.com/2079-4991/12/9/1493